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Nuevas aplicaciones para súper capacitores (ART2152S)

La capacidad de almacenamiento de los capacitores está aumentando rápidamente hacia lo que llamamos supercapacitores e hiper capacitores. Y, siguiendo esta evolución hacia capacitores más pequeños y con mayor capacitancia, las aplicaciones prácticas se multiplican, abriendo un rango que hasta hace poco no se había imaginado. Mouser Electronics ( www.mouser.com ), además de una línea de súper capacitores, también ofrece soluciones para el desarrollo de proyectos que utilizan estos componentes. En este artículo discutiremos el funcionamiento de estos componentes y sus nuevas aplicaciones prácticas.

Aprendimos en el curso de física que una esfera conductora puede almacenar cargas eléctricas y, por lo tanto, se comporta como un capacitor (capacitor esférico). También aprendimos que su capacitancia depende de su diámetro y algunos cálculos simples nos muestran qué para almacenar 1 faradio, ¡este capacitor debe tener el tamaño de la tierra!

 

 

Figura 1- Un capacitor esférico de 1 farad tendría el tamaño de la tierra
Figura 1- Un capacitor esférico de 1 farad tendría el tamaño de la tierra

 

Durante mucho tiempo, trabajando con electrónica, sabiendo que 1 farad es un valor de capacitancia muy alto, nos acostumbramos a trabajar con capacitores mucho más pequeños, con valores expresados ??en millonésimas (micro), blionésimos (nano) y triolionésmos (pico) de farad.

Sin embargo, las tecnologías han evolucionado rápidamente y las capacidades han aumentado. Un faradio ya no es una capacidad imposible, y nos estamos acercando rápidamente.

La llegada de los capacitores electrolíticos fue el primer avance.

 

Electrolíticos de aluminio

Un capacitor está formado por dos armaduras (de materiales conductores) separadas por un aislante (dieléctrico).

 

 

Figura 2 - Capacitor plano
Figura 2 - Capacitor plano

 

 

Aprendimos de nuestro curso de electrónica que la capacitancia de un capacitor es directamente proporcional al área útil de las armaduras e inversamente proporcional a la distancia que los separa.

También sabemos que la capacitancia depende de la constante dieléctrica del material aislante, cuanto mayor sea la constante.

En los capacitores electrolíticos, tenemos dos armaduras conductoras (láminas de aluminio) separadas por una solución electrolítica (lámina conductora de poros), de ahí el nombre. Aluminio electrolítico.

 

Figura 3 - El electrolítico de aluminio.
Figura 3 - El electrolítico de aluminio.

 

El contacto de la solución con uno de los electrodos, en un proceso de polarización en la fabricación, crea un fino capaz de aislar el óxido de aluminio.

Como esta capa es extremadamente delgada y tiene una constante dieléctrica razonable, es posible obtener una alta capacitancia.

Está claro que la capa aislante no puede ser muy delgada, porque de lo contrario una tensión baja sería suficiente para provocar que se rompa y el capacitor se "cortocircuite".

Sin embargo, con técnicas modernas obtienen capacitores con altas capacidades con valores que alcanzan decenas de miles de microfarads (¡casi 1 farad!) Y voltajes de trabajo que van desde unos pocos volts hasta cientos de volts.

 

Capacitores de tantalio

Con el uso de metal de tantalio en lugar de aluminio, también podemos fabricar capacitores con la misma tecnología, con una ventaja: el óxido de tantalio tiene una constante dieléctrica mucho mayor que la del óxido de aluminio. Esto significa que podemos obtener capacitores de valores mucho mayores usando menos espacio.

Esto es lo que sucede hoy, donde el capacitor de tantalio se usa en aplicaciones donde el espacio es crítico. Pero, una nueva generación de capacitores con capacidades gigantescas, le permite almacenar 1 Farad en un espacio que cabe en su mano.

Son los súper e hipercapacitores que trataremos en el siguiente artículo.

 

Super e hipercapacitores

Los capacitores almacenan energía en campos eléctricos, mientras que las baterías comunes almacenan energía en reactivos químicos en el interior.

Esta diferencia hace que el funcionamiento de los dos sea diferente al suministrar energía a un circuito externo, pero al final, ambos pueden suministrar energía a este circuito.

Por lo tanto, mientras que el ciclo de descarga de una batería ordinaria hace que mantenga el voltaje casi constante durante un largo período de tiempo, la descarga de un capacitor se realiza de acuerdo con una curva exponencial, como se muestra en la figura 4.

 

Figura 4 - Curvas de descarga para un capacitor y una batería común.
Figura 4 - Curvas de descarga para un capacitor y una batería común.

 

 

Sin embargo, tenga en cuenta que, entre dos puntos de descarga, los dos pueden funcionar eficientemente como fuentes de energía que suministran dispositivos externos. Hasta hace poco, los capacitores no se usaban como fuente de energía, excepto en muy pocas aplicaciones, por dos razones.

La primera es que no fue posible obtener capacitores lo suficientemente grandes como para almacenar una buena cantidad de energía.

En segundo lugar, la mayoría de los dispositivos que se suponía que estaban alimentados eran demasiado altos para poder depender de un capacitor.

Sin embargo, en los tiempos actuales, las tecnologías que permiten obtener capacitores con valores extremadamente altos y dispositivos electrónicos de muy bajo consumo permiten utilizar capacitores como fuentes de energía.

Con la capacidad de almacenar cargas extremadamente altas que alcanzan 2 Faradios o incluso más, estos capacitores están muy cerca de las baterías porque pueden alimentar dispositivos de bajo consumo durante horas, días o incluso semanas.

Los capacitores de este tipo se usan en los teléfonos celulares para mantener los datos en la memoria cuando se cambia o quita la batería.

Como su nombre lo indica, "doble capa eléctrica" en inglés, estos capacitores consisten en dos electrodos de carbono sumergidos en un electrolito orgánico, como se muestra en la figura 5.

 

Figura 5 - Estructura de un ultracapacitor
Figura 5 - Estructura de un ultracapacitor

 

Durante la carga, los iones cargados del electrolito migran a electrodos de polaridad opuesta debido a la presencia de un campo eléctrico entre estos electrodos; Este campo es creado por el voltaje aplicado.

De esta manera, se crean dos capas de carga separadas, lo que le da un nombre al dispositivo.

Aunque está funcionando de manera similar a una batería, las cargas creadas dependen de una acción electrostática, mientras que en una batería depende de la acción química.

A pesar de tener una alta densidad de potencia, el voltaje que soportan es muy bajo, del orden de 2,3 V. Además, tenemos un efecto electrolítico que destruye el componente.

Existen varias tecnologías para la fabricación de supercapacitores. Tenemos tecnología electrostática de doble capa o Helmotz en la que dos placas están separadas por una capa aislante de aproximadamente 0.3 a 0.8 nm.

Otra técnica es la Pseudo capacitancia en la cual las cargas se transfieren de reacciones químicas en un proceso farádico.

También tenemos tecnología híbrida que reúne los dos tipos anteriores en una estructura asimétrica.

Los ultracapacitores y supercapacitores ya se pueden encontrar en algunos proveedores que operan a través de Internet, pero que aún tienen un uso limitado. En la figura 6 tenemos un ejemplo de estos capacitores.

 

Figura 6 - ultracapacitores. - Nota: 350 farads!
Figura 6 - ultracapacitores. - Nota: 350 farads!

 

En la figura 7 vemos capacitores de 1.5 F en formato de botón, equivalente al de una batería de tipo botón. Los capacitores de este tipo se pueden usar para alimentar memorias de respaldo.

 

Figura 7 - Supercapacitores de 1.5 F
Figura 7 - Supercapacitores de 1.5 F

 

Un capacitor de este tipo puede funcionar con una batería, suministrando energía durante mucho tiempo a dispositivos de bajo consumo o incluso, durante cortos períodos de tiempo a cargas de mayor consumo.

Una aplicación que ya hemos encontrado en la práctica es el poder de pequeños helicópteros controlados por radio, como el de la figura 8.

 

Figura 8: este juguete funciona con un supercapacitor
Figura 8: este juguete funciona con un supercapacitor

 

El nano-helicóptero en la foto vuela durante 5 minutos con una carga de 30 minutos.

Otras aplicaciones incluyen arrancar motores de automóviles, reemplazar la batería. Una batería más pequeña llevaría un supercapacitor que luego, debido a su capacidad de corriente muy alta, podría suministrar energía para el inicio.a

 

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